路面材料復合介電常數(shù)模型研究進展分析

　　路面材料復合介電常數(shù)模型是雷達檢測路面結(jié)構(gòu)體系含水量、孔隙率、壓實度等指標的基礎和關鍵。分析了相關文獻的研究成果，剖析了復合介電常數(shù)模型的研究現(xiàn)狀，討論了各種模型的優(yōu)缺點、局限性和適用范圍等，論證了進一步研究路面材料復合介電常數(shù)模型的必要性。

前言

　　路基路面質(zhì)量直接影響道路工程的安全和行車的舒適。因此，須對路基路面狀況及時檢測和評價，以便適時做出科學的決策或采取合理的維修加固措施以確保道路具有良好使用性能。路面探地雷達(GPR)作為一種、、無損的探測技術越來越廣泛地應用于路基路面質(zhì)量檢測方面。路面雷達是基于介質(zhì)電磁特性的差異進行工作的，當雷達進行路基路面質(zhì)量檢測時，測試中獲取的zui初和zui基本參數(shù)是路面材料介質(zhì)的介電常數(shù)，并不能直接測試路面材料的壓實度、孔隙率、含水量、瀝青含量等質(zhì)量控制指標，但像路面材料這樣由幾種不同材料組成的復合介質(zhì)，其介電常數(shù)與復合介質(zhì)的各組成成分的介電常數(shù)和組成比例有關，描述這種關系的式子稱為介電常數(shù)模型。通過對復合介質(zhì)介電常數(shù)和介電常數(shù)模型的研究分析，可間接得到壓實度、孔隙率、含水量這些檢測指標。因此，研究和建立介電常數(shù)與這些指標之間的關系成為了路面雷達技術有待研究的核心內(nèi)容之一。本文討論了各種模型的優(yōu)缺點、局限性和適用范圍等，并論證了進一步研究路面材料復合介電常數(shù)模型的必要性。

1、研究現(xiàn)狀綜述和分析

　　路面材料是由固態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)組成的混合物，是眾多復合材料的一種。路面材料復合介電常數(shù)模型的復合介電常數(shù)反應材料本身的電學性質(zhì)，由表示介電常數(shù)的實部和表示能量損耗與衰減的虛部組成。它與材料各成分的介電常數(shù)、含量、溫度及頻率有關。瀝青混凝土、水泥混凝土這些復合材料，其整體所體現(xiàn)出來的復合介電常數(shù)也與其骨料、水泥凈漿或瀝青、空氣的介電常數(shù)以及體積率有關，而組成部分的體積率與材料壓實度、孔隙率、含水量等這些質(zhì)檢指標息息相關，這些指標的改變將直接導致介電常數(shù)的實部和虛部變化，例如含水量增加會導致介電常數(shù)的實部和虛部增大;孔隙率的減少，即壓實度的增加也會使介電常數(shù)增大等。國內(nèi)外，針對復合介電常數(shù)與這些質(zhì)量指標之間的關系開展了不少研究。

　　1.1、經(jīng)驗擬合公式研究現(xiàn)狀和存在問題

　　復合介電常數(shù)和某一指標間相互關系的經(jīng)驗擬合公式，國內(nèi)外的學者，都作了相關的研究。首先，對于土壤介電物理特性做出過系統(tǒng)研究的是前蘇聯(lián)學者ChernyakG.Ya.，他在1964年撰寫的《濕土介電特性研究方法》(DielectricMethodsforInvestigatingMoistSoil)一書中對含水土壤介電特性作了全面的分析，使人們對土壤介電物理行為*次有了系統(tǒng)性的認識。1980年加拿大農(nóng)業(yè)土地資源研究中心的Topp利用TimeDomainReflectrometry(TDR)方法測定土水混合物的介電常數(shù)，并由此得到了反映土壤含水率w與土水混合物介電常數(shù)ε之間關系的兩個回歸多項式方程，即的Topp方程

　　在Topp基礎上，美國農(nóng)業(yè)部鹽堿實驗室Dalton等人測量土壤電導率估計土壤的鹽分。Alharath和Ferre先后對粉沙、細沙土進行了實驗研究，提出了各自的公式，Roth在他們兩人基礎上進行適當修正，使得公式的應用拓寬到了沙性土。

　　這些研究成果，特別是針對沙土的成果，為研究混凝土中細骨料的介電特性奠定了理論和試驗基礎，同時也為分析研究路基土的介電特性提供了參考。但需說明的是上述公式均忽略了介電常數(shù)與電磁波頻率的關系，并且是在TDR頻率范圍內(nèi)測量得到的，而TDR所用的電磁波頻率與路面雷達電磁波頻率有差異。此外，路基土是壓實土，不同于天然土壤，其孔隙率較小。因此，開展路面雷達頻率內(nèi)介電常數(shù)模型的研究是非常必要的。

　　1994年，VirginiaTech開展了一項科研項目，對水泥混凝土介電特性進行了研究，分析了水泥混凝土介電特性及其影響因素，分別研究了組成成分、氯化物的含量、混凝土內(nèi)部損傷、堿硅反應(ASR)、凍融現(xiàn)象對水泥混凝土介電常數(shù)的影響，得出了水泥混凝土的介電常數(shù)隨著水灰比增大而增大等一系列重要結(jié)論。1995年，Robertet.al.采用寬帶同軸線測量水泥混凝土的復合介電常數(shù)，頻率范圍為50MHz～1GHz，PCC試件骨料zui大粒徑為15mm和30mm，主要研究了養(yǎng)護時間對復合介電常數(shù)的影響。Rhim在1998年也曾在0.1～20.0GHz頻率段對混凝土含水量與復合介電常數(shù)之間的關系進行了試驗研究。

　　為研究熱拌瀝青混凝土的介電性能，1992年，Al-Qadi研究了其在12.4～18.0GHz頻率段內(nèi)的介電特性，試驗采用兩種類型的骨料:吸收性較小的石灰石和吸收性較大的礫石，每種類型的骨料都采用兩種級配拌和:密級配和開級配，試驗建立了熱拌瀝青混凝土介電常數(shù)和含水量之間的相關關系[9]。1999年，Shangetal.采用一種新型裝置測量了熱拌瀝青混凝土介電常數(shù)，所用頻率為0.1MHz～1.5GHz。澆注試驗試件時，采用不同的拌和方式和不同的瀝青含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)瀝青含量和拌和方式對所測的介電常數(shù)影響不大，而試件的含水量卻是重要的影響因素。

　　國內(nèi)針對水泥混凝土、熱拌瀝青混凝土和路基土也做了些研究，鄭州大學張勇對水泥混凝土和瀝青混凝土的介電特性進行了試驗研究，研究了齡期內(nèi)介電常數(shù)的變化規(guī)律、介電常數(shù)與密度、介電常數(shù)與強度之間的關系，以及油石比、集料級配、水灰比等參數(shù)對介電常數(shù)的影響規(guī)律。